低压控制柜的设计分析

低压控制柜的设计分析（精选8篇）

低压控制柜的设计分析 篇1

随着当前我国科学技术的迅猛发展, 低压控制柜作为电气自动控制系统的一个重要部分, 已经在生产中得到了广泛应用。低压控制柜主要包含开关、保护元件、控制元件等。低压控制柜为实现控制及保护功能, 里面除了有隔离开关、断路器、接触器、热继电器之外, 可能还有PLC、变频器、马达保护器、电流变送器、软启动器等保护类型的电器元件[1]。根据不同的需要, 低压控制柜实现不一样的功能。低压控制柜的设计首先要考虑控制对象的负荷大小, 根据负荷大小才能正确地选用低压电器。下面就低压控制柜的设计做一简要探讨。

1低压控制柜的电器元件选型

电器元件在选型时, 首先要弄清楚被控设备是交流设备还是直流设备, 并确认其功率大小, 才能选择相应的交直流电器件。比如三相感应电动机的额定电压是380 V的交流电, 则应选用380 V的交流接触器控制电机并与电机功率匹配。其次要考虑其安装方式和安装场所的环境条件, 例如当接触器安装在箱柜内时, 由于冷却条件较差, 电流要降低10%~20%才能使用。一般情况下, 选择额定电流的1.2倍的接触器保证正常使用。当接触器敞开安装时, 电流允许提高10%~25%。选择断路器时, 要考虑断路器的保护特性要与被保护对象的过载特性相匹配。最后对于保护类电器元件, 选择时则应当充分考虑其所需的保护功能及类型, 例如对电动机的控制一般要选择既有短路保护, 又要有过载保护, 还要有断相和欠压保护功能的电动机起动器[2]。

2低压控制柜的电气原理图设计

2.1一般要求

低压控制柜的设计就是为满足机械或者其他生产设备的工艺要求而进行的电气控制系统的设计。控制柜设计水平的高低决定了被控设备的可用性、先进性以及设备的自动化程度。

设计低压控制柜的基本思路是通过按钮、断路器、接触器、继电器、PLC等电器元件实现对电气设备的控制。例如控制电机, 按下启动按钮后, 接触器、热继电器通过线圈吸合, 电机带电启动。在一般情况下, 如果使用普通电器元件能满足电气设备所需的控制功能, 可不选用PLC, 这样能大大节省成本。

设计低压控制柜前还要搞清楚进线电源的线制, 即使用三相五线制 (有时为四线制) 还是单相三线制。一般工业和民用设备采用三相五线制, 如三相异步电机的电源。家用电器或者照明系统采用单相三线制, 即地线、零线、火线。

2.2一次系统图设计

低压控制柜的设计分为一次系统图设计和二次原理图设计。以电机类一次系统图为例, 设计内容见表1。

一次系统图可以显示出柜内需要摆放的电器元件以及电器元件的型号、数量、尺寸, 还可以显示出电器元件的回路数量, 进出线的电缆型号、规格、尺寸。

2.3二次原理图设计

二次原理图设计是低压控制柜设计的核心部分, 是对一次系统图的进一步细化。例如电机类设备二次原理图包括:电机启动控制原理图 (含保护) , 控制柜接线图。

控制原理图是用来表明设备的工作原理及各电器元件间的作用, 一般由主电路、控制电路组成。控制电路又由控制执行电路、检测与保护电路组成。控制原理图设计思路如下。

1) 主电路应依规定的电气图形符号用粗实线画出主要控制、保护等用电设备, 如断路器、熔断器、变频器、热继电器、电动机等, 并依次标明相关的文字符号。

2) 控制电路是由开关、按钮、信号指示、接触器、继电器的线圈和各种辅助触点按各种典型电路 (如顺控电路、联锁电路、延时电路等) 组合而成, 实现对主电路中受控设备的“启动”“停止”, 使主电路中的设备按设计工艺的要求正常工作。对于简单的控制电路, 依据主电路要实现的功能, 结合生产工艺要求及设备动作的先后顺序依次分析, 进行设计。对于复杂的控制电路, 需按各部分所实现的功能 (如控制、保护、检测等) 分割成若干个局部控制电路, 然后与典型电路相对照结合, 逐个设计分析环节, 再找到各环节之间的相互关系, 最终完成受控设备的控制电路设计。

控制柜接线图是电气二次接线的根本依据, 接线图设计思路如下。

1) 接线图的设计应符合《控制系统功能表图的绘制》等相关规定。

2) 与控制原理图略有不同, 设计接线图时同一电器元件的各个部分 (触头、线圈等) 必须画在一起。

3) 接线图一律采用细线条绘制。走线方式分为板前走线及板后走线两种。对于简单电气控制部件, 电器元件数量较少, 接线关系又不复杂的, 可直接画出元件间的连线;对于复杂部件, 电器元件数量多, 接线较复杂的情况, 一般是采用走线槽, 只要在各电器元件上标出接线号, 不必画出各元件间连线。

4) 接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色等。

3低压控制柜的工艺设计

3.1电器元件的布置

同一组件中电器元件的布置应注意, 将体积大且较重的电器元件安装在电器板的下面, 而发热元件应安装在低压控制柜的上部或后部。例如热继电器宜放在控制柜的下部, 因为热继电器的出线端直接与电动机相连, 这样便于出线。而其进线端与接触器直接相连接, 便于接线并使走线最短, 且宜于散热。

3.2低压控制柜的防护

低压控制柜的工艺设计还要考虑控制柜的使用环境。例如防护等级要求至少为IP20, 一般为IP65;食品行业要求材质为不锈钢, 相应的配线管和桥架至少为热浸锌材质[3]。此外还要考虑柜体上仪表 (如电流表、电压表、变频器控制面板) 、指示灯、操作按钮等的安装位置, 要符合基本操作规范。总电源一般设紧急停止控制按钮, 且要放在明显和方便操作的位置。

3.3其他注意事项

强电、弱电分开并注意屏蔽, 防止外界干扰。需要经常维护、检修、调整, 电器元件的安装位置不宜过高或过低, 人力操作开关及监视仪表的安装位置应符合人体工程学原理。

电器元件的布置应考虑安全间隙, 并做到整齐、美观、对称。外形尺寸与结构类似的电器可安放在一起, 以利加工、安装和配线。若采用行线槽配线方式, 应适当加大各排电器间距, 以利布线、接线和维护。

4结束语

低压控制柜的设计任务是根据受控设备的多少和负荷大小来选择一些不同的电器元件, 并将它们有机地组合到一个控制柜中, 从而实现受控设备所需的控制功能。通过正确的电器元件选型、最优的电气图设计、合理的元件布置, 低压控制柜的设计才可能用最小的成本实现最大的功能。

摘要：笔者通过对低压控制柜的电器元件选型、电气原理图设计和工艺设计这三部分的设计分析, 了解了低压控制柜明确的设计思路, 为以后能更好地设计出满足工业要求的低压控制柜提供参考。

关键词：电气设计,电器元件,低压控制柜

参考文献

[1]弋东方.电力工程电气设计手册[S].北京:中国电力出版社, 2014.

[2]王进野.电机拖动与控制[M].天津:天津大学出版社, 2008.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.GB 4208—2008外壳防护等级[S].北京:中国标准出版社, 2009.

关于常用低压电器控制电路的应用 篇2

【关键词】低压电器；控制电路；应用

1、低压电器的分类和特点解析

所谓的低压电器，一般工作电压是DC 1200V或者是AC 1500V，它组成了电力拖动的自动控制系统，这些电器在电路中能够保护电路，并且能够控制电路的通断，在长期运行的过程中也能保证较高的可靠性，并且这些电器一般价格不是很高昂，经济性较高，对于电路能进行很好的控制，能够实现自动或者手动的控制方式，通过电路的通断来对电器设备进行控制，在后期的维护中，这类电器也不用花费太多的成本。

低压电器按照用途进行分类，可以分为控制电器，保护电器，主令电器，配电电器这几种，其中控制电器主要是对电路进行控制，应用于控制系统当中；保护电器主要起保护作用，比如热继电器等；主令电器可以执行控制系统发出的指令，比如一些控制开关等；配电电器是用来传输电能的，这些电器都有其各自的功能，共同组成了低压电器这个总类。低压电器也分很多种类，有电磁式电器、无触点电器等，其中，交流接触器得到了非常广泛的应用，这与它本身的功能也是分不开的，首先它能够进行远程的控制，其次，它的使用寿命比较长，即使经常性的操作也能保证可靠性，最后，它有欠压保护，能够对电路起到一定的保护作用。交流接触器是由触电、电磁等部件构成的，在工作的时候，当线圈通电后，铁芯由于电磁感应的作用，会产生磁场，这时候处于活动状态的铁芯就会被其磁力吸引过来，从而使电路得以接通；在切断电源之后，由于没有电流的作用，电磁感应失效，在弹簧的作用下，被吸引过来的铁芯又恢复原状，使电路切断。在交流基础器的使用过程中，也会出现一些故障，导致无法正常工作，比如线圈烧坏、触电被熔焊、吸引力不足等，这些问题都会导致它无法正常工作。线圈过热的话容易导致线圈被烧坏，而导致线圈过热也是有原因的，比如使用过于频繁或者线圈本身的质量比较差，绝缘材料受到破坏等都会导致其工作中不稳定，容易发热。也可以采取相应的手段来缓解线圈过热的现象，比如更换质量较好的线圈、调整电源电压等方法，都可以很好的保护线圈，防止其过热。在低压电器当中，热继电器也是一种应用比较广泛的元件，它由金属片、触电、复位按钮等部件构成，对电路进行过载保护。热继电器在工作中，如果电路超过了其本身的负荷，那么在电流的作用下，金属片受热弯曲，如果电流超过一定的值之后，金属片的弯曲程度会越来越大，超过弹簧的弹力之后，就会与触电断开，从而对电路形成保护，金属片冷却之后，在弹簧的作用下又会恢复原状，与触电保持接触，从而使电路继续通电，处于工作状态。

2、控制电路的应用浅析

要通过电路来对各种电机或者低压电器进行控制，首先需要对需求进行设计，画出电气原理图，利用电器原理图来进行电路的绘制，从而实现电路的功能。在绘制电器原理图的时候，一般要有控制电路和主电路，控制电路由线圈、开关等原件组成，主电路主要是能够使较大的电流通过，一般有开关、热继电器等原件，对于一些电压要求小的电器来说，可以直接接通电源启动，然后对于电压比较大的电器，就需要减压启动。所谓的减压启动，就是在电动机准备启动的时候，先将电动机定子上的电压减小，然后当启动完成之后，在将电压恢复到额定电压，让电机正常的工作。在电路的工作过程中，如果线路出现了问题，那么系统的电压会出现下降的情况，对于这种情况，一般要采取措施来对系统进行欠压保护。

3、低压电器中可编程控制电路的特点

在低压电器的控制电路中，有一种控制方式可以使整个过程变得十分的简便，并且可靠性高，与传统的继电器相比有着很多的优势，这种控制方式就是可编程控制器，利用可编程控制器，可以实现逻辑运算、模拟输入输出，在数控机床等领域有着广泛应用，如果遇到需要更改的情况，往往不需要对硬件进行更换，只要对程序进行更改就能实现其他的功能，这样不仅控制简便，而且能够减少成本，提高工作的效率。

4、低压电器使用的注意事项

低压电器在使用过程中，一定要注意安全问题，在实际的工作过程中，安全往往是放在第一位的，如果操作不当，导致安全问题发生的话，往往会产生不可估量的后果，因此，在使用中要注意使用的场合，对电器做好接地工作，使电器的金属外壳与大地相连，避免触电事故的发生，在熔断器中一定要使用熔断丝，而不能使用铜丝来代替，这样就起不到保护的作用了。另外要根据实际需要科学合理的选择适当容量适当功率的用电设备，对于变压器和电动机要尽量避免出现空载和轻载的状况，争取做到分时用电，错峰用电，倡导低碳生产环保用电。当出现触电情况时，首先第一步是使触电者脱离电源，使用绝缘材料切断电源，严禁用手接触触电者，避免触电者摔伤和跌倒，在第一时间实施人工呼吸和心脏复苏等急救。科学合理的使用低压电器对于大大提高了工业生产的效率和降低了人力资源的消耗。

参考文献

[1]李乃夫.教材建设应以课程改革为基础──“新世纪高职高专教改项目成果教材”《电气控制与可编程控制器应用技术》介绍[J].职业技术教育，2003，34：76-78.

电除尘低压控制系统的设计 篇3

目前我国生产电除尘器的大型企业近十家, 其设计部门往往只注重电除尘高压供电的控制研究, 而忽略对其低压控制部分的研究, 认为只要高压供电到位, 除尘效率就能够达到要求了, 对低压部分无所谓。其实低压的主要控制部分振打、电加热和卸输灰对除尘器有着重要的意义。振打的设置对于二次扬尘有着很大影响, 电加热能够保证电除尘本体设备正常安全可靠地工作和提高设备的使用寿命。所以, 本文特对电除尘低压控制系统的研究作了较为详细的描述。

本文设计的是电力环保行业很普遍使用的电除尘器的低压控制系统。一般此类单台电除尘器以双室四电场最为典型, 而双室的左右部分的控制方法是一致的, 其控制点数是单室的两倍。通常电除尘的微机控制的高压控制柜是一个电场一台的, 用PLC作为控制核心的低压控制柜是3~4个电场一台的。所以双室四电场的电除尘器需要配备8台高压柜和2台低压柜。为了便于描述, 本文控制的电除尘器为单室四电场, 仅需4台高压柜和1台低压柜。

2 电除尘器的低压控制系统总体介绍

本设计的控制对象是四电场的电除尘器, 其低压控制系统主要是一个基于可编程控制器PLC控制的系统, 工作原理是通过PLC对信号的不断输入采样, 程序处理和输出刷新, 从而达到控制要求。该系统主要包括振打、加热、安全连锁以及各部必要的报警等组成, 其中除安全连锁部分由硬件实现外, 其它都由可编程控制器PLC的编程及外围硬件电路实现。

3 电除尘器低压控制系统硬件设计

3.1 振打部分

四个电场除尘器阴、阳极共需8台振打电机, 他们的控制方式和电气原理基本是相同的, 在此仅拿出单台作为描述对象, 其具体电气原理如图1所示。该图是就地操作箱的原理, 所以在旋钮开关SA打到手动位置时, 能够通过按钮SB2对电机强开和SB1对电机强停, HR1是电机工作指示灯。SA在远程位时, 由PLC的输入信号对电机控制。FR是热继电器, HR3是其报警指示灯。HR2是PLC输出报警指示灯。送到PLC内部的强开和强停信号的按钮在PLC低压控制柜面板上。

3.2 电加热部分

电加热包括阴极绝缘子电加热、灰斗电加热和室内保温电加热, 其工作方式有连续和区间之分, 它们的电气连接略有不同, 这里给出较复杂的区间加热单个加热器电气原理图2。该图也是实地操作箱的原理, 在旋钮开关SA打到手动位置时, 能够通过按钮SB1对加热器实现强停和SB2实现强开, HR1是其运行指示灯。SA在远程位时, 由PLC的输入信号对加热器控制。HR2是PLC输出的报警指示灯。

3.3 安全连锁部分

安全连锁保证了四个电场高压控制柜的检修和运行的安全。安全连锁分全连锁和分连锁。全连锁只要有一个条件不具备, 所有柜子都上不了电, 可以说之间是“与”关系, 它是由安全连锁箱控制的;分连锁是没有全连锁的情况下, 对单台柜子的连锁有效, 是先“与”再“或”的关系。每个分连锁有四个钥匙开关分别是由每台高压控制柜的柜门、检修门、高压隔离开关箱和安全连锁箱控制的, 这样充分保证了安全可靠性。

4 电除尘器低压控制系统软件设计

4.1 总体方案

本设计的电除尘低压控制系统中温度和料位信号检测与对电机、加热器的驱动、反馈及报警控制很多, 可以通过对PLC的CPU及其扩展模块的编程来实现功能。编程所用的软件是STEP7-Micro/Win V4.0, 该软件是基于Windows平台的应用软件, 是SIEMENS公司专为SIMATIC系列S7-200研制开发的编程软件, 它可以使用通用的个人计算机作为图形编程器, 用于在线 (联机) 或者 (脱机) 开发用户程序, 并可在线实时监控用户程序的执行状态。

由于电除尘低压控制系统的振打、电加热各部分及其内部报警在功能上是相互独立的。振打部分主要控制振打时序和振打电机;电加热部分的区间加热主要根据测温值控制电加热器的启停, 连续加热的电加热器上电后是自动工作的, 仅需有测温输入并当温度过低时输出报警。所以可以做一个总的单按钮系统起停控制, 再先将各部分的程序独立编程, 然后顺序合并即可。

4.2 各模块说明

4.2.1 振打模块

振打的控制相对来说较为复杂, 由于工艺上要求相邻电场和同一电场阴阳极不能同时振打, 四个电场阴阳极的八台振打电机之间有着互锁, 具体的互锁关系如表1所示。

电除尘器振打的电场不同, 阴阳极不同, 其工作周期也各不相同。振打电机是带动多个重锤振打极板极线, 一次一般每个振打锤振打一下, 也就是整个振打轴旋转一周。所以运行时间是根据振打电机带减速机后的转速来定的, 假定电机转速为每转150s, 则振打运行时间定为150s。停止时间主要由工况和经验值来决定, 通常后级电场周期时间 (运行加停止时间之和) 设成前级电场的整数倍。在正常情况下, 前级电场收集的粉尘比后级要多得多, 所以前级电场振打电机的停止时间比后级短, 具体根据工矿作调整。另外, 阴极板的功能主要是提升电压使空气电离, 为了保持良好的充电环境, 阴极板保持清洁显得非常重要, 所以其振打频率要比阳极高。具体程序中设定的振打周期如表2所示。

由以上介绍不难得出结论, 四电场阴阳极的8台振打电机的控制仅停止时间和互锁的条件不同。另外, 每台电机的强开、强停 (消警) 、驱动、反馈和报警等控制功能都是相同的。

4.2.2 电加热模块

电加热包括阴极绝缘子电加热、灰斗电加热和室内保温电加热, 四个阴极绝缘子电加热是连续加热的, 需要编程的仅温度输入和报警输出。四个灰斗电加热和一个室内保温电加热是区间加热, 其控制方式也相同, 需要编程控制其工作区间, 还有温度输入和报警输出。

(1) 区间加热模块

区间加热主要功能是通过检测到的温度信号判断是否启动电加热器。程序中要设定温度的上限120℃和下限100℃, 当温度低于100℃时, 电加热器开;当温度高于120℃时, 电加热器关。温度传感器通常用PT100, 经过变送器输出4~20m A的信号对应温度范围是0~200℃。但根据资料, EM231 4×12Bit的输入没有4~20m A, 最接近的是0~20m A, 而该模块的单极性全量程范围是0~32000, 通过比例计算可得, 4~20m A对应6400~32000, 则换算后100℃对应19200, 120℃对应21760, 90℃对应17280。电加热器有反馈、报警和强停 (消警) 功能。强停要延时10s后有效, 以防止灰斗结块。

(2) 连续加热模块

阴极绝缘子的连续加热控制比较简单, 加热器是上电连续工作的, 仅判断温度输入是否低于下限值90℃, 低于下限时输出报警即可。

5 结论

本设计方案实现了对四电场电除尘器低压控制系统振打、电加热的控制。达到的成果大致如下:

(1) 完成了振打电机, 加热器和安全连锁的电气原理设计;

(2) 根据设计的系统, 选择西门子S7-200PLC CPU 226及其扩展模块作为控制器, 满足了实际工程应用中性价比高、冗余量充足的需求;

(3) 编出了完整的PLC程序, 并且经过实际项目现场应用, 满足各部分的控制要求。

但由于时间、水平和经验有限, 有些控制的实现显得不够简练, 程序上像区间加热的控制方法都是相同的, 可采用模块化编程简化工作量。另外, 为了更好地实现监控, PLC和触摸屏及上位机的通讯、上位机监控组态软件的应用也非常重要, 限于篇幅, 本文未作这方面的介绍。

摘要：本文主要设计的是基于可编程控制器PLC的电除尘器低压控制系统, 该系统的主要功能是对电除尘器低压控制的振打、电加热等部分工作的实现。该系统选用PLC作为整个控制的核心, 通过编程实现了对电除尘器低压部分的组成部件振打电机、加热器完成驱动、反馈、报警、强开和强停 (消警) 等控制功能, 特别是实现了各电场阴、阳极振打电机的互锁, 加热模块中连续加热的温度检测报警和区间加热温度检测与控制。并描述了振打电机、加热器和安全连锁的电气原理。

关键词：电除尘器,振打,电加热,PLC

参考文献

[1]胡志光, 编.电除尘器运行及维修[M].北京:中国电力出版社, 2004:1~15.

[2]蒋亚彬.电除尘器自动控制技术的研究[D].南京理工大学, 2003:2~5.

[3]赵欣华, 梁冬, 吴晓光.电除尘器振打技术在黑龙江火电厂中的应用[A].火力发电厂可持续发展与环境保护技术论文集[C].1999:256~261.

[4]西门子 (中国) 有限公司自动化与驱动集团.SIMATIC S7-200可编程控制器产品目录[N].2005:13~39.

低压控制柜的设计分析 篇4

常规无功补偿控制器只能实现共补, 而实际工业现场往往三相负载不平衡, 故需要针对某一相进行无功补偿, 即分补偿。常规无功补偿控制器普遍采用一种编码方式, 即等电容循环投切, 而电网所要补偿的容性无功功率的数值常是连续不分等级的, 故单只电容器容量可能过大, 造成过补或欠补, 补偿精度欠佳。为了解决上述问题, 本文将介绍一种以ARM为核心的ARC低压无功功率自动补偿控制器。

1 设计要求

根据现有市场上的低压无功功率补偿控制器的功能特点及实际需求, 确定ARC低压无功功率自动补偿控制器。

(1) 输出电路采用编码工作方式。

(2) 采用以基波无功功率为主、 基波功率因数为辅的投切依据。

(3) 采用FFT实现无功功率的精准计算。

(4) 采用混合补偿 (三相共补、 单相分补) 方式, 分为静态和动态补偿。

(5) 基本保护功能: 过电压、 欠电压、 欠流、 断相、电压畸变、温度保护等。

(6) 基本测量功能和通信功能:电压、电流、 频率、有功功率、无功功率、电压畸变率、功率因数、温度等基本测量功能;RS-485通信接口, 采用Modbus通信协议。

(7) 采用导轨和嵌入式安装方式。

(8) 电磁兼容标准: GB/T 17626.2—2006、 GB/T17626.4—2008、GB/T 17626.5—2008。

(9) 以上要求符合JB/T9663标准。

2 硬件设计

ARC低压无功功率自动补偿控制器 (以下简称控制器) 功能如图1所示。控制器包括电源电路、 三相交流电压电流采样电路、频率采样电路、温度采集电路、按键输入电路、报警输出电路、 开关量输出电路、LED显示电路、CPU、RS-485通信电路。 下面重点介绍电压采样电路、频率采样电路和RS-485通信电路。

2.1 电压和频率采样电路

电压和频率采样电路如图2所示。电压信号UA经电阻分压、信号处理后, UAO直接进入CPU, 实现电压采样。UAO经过RC滤波、迟滞比较器, 可生成同频率的基波方波FRE, 实现频率的采样。 图3 是7 次THD15%50Hz的UAO电压波形, 图4是经过RC滤波后的UAO1电压波形, 这就保证了进入迟滞比较器的是基波。

频率采样有硬件和软件测频。软件测频算法复杂、计算量大、精度不高;硬件测频计算量小、精度高。控制器硬件测频电路的优势是: 实现测频的同时实现了电压采样; 减少了CPU的运算; 泄漏误差小于基波幅值的0.02%, 满足FFT分析处理谐波的精度要求。

2.2 通信电路

控制器具有通信功能, 硬件采用RS-485通信接口。RS-485通信电路采用硬件自动控制收发电路, 不用单片机控制, 可以减轻单片机的负担。为了满足工频耐压要求, 制作PCB时要做好隔离措施。通信电路如图5所示。一路RS-485通信电路将实时电参数上传到监控中心, 便于观察现场设备; 另一路RS-485 通信电路作为子母机扩展使用, 通过主机实现对从机的控制。

3 软件设计

控制器主程序包括数据采集、FFT计算、电容投切、基本保护、显示程序、按键处理、人机交互、通信等子程序。各部分子程序采用模块化设计, 便于维护。这里主要介绍基于FFT的无功功率测量算法和电容投切。

3.1 基于FFT的无功功率测量算法

无功补偿中常用的无功功率测量算法有快速傅立叶变换 (FFT) 测量法和数字移相测量法。 快速傅立叶变换 (FFT) 测量法精度高, 但计算量较大, 实时性不好;数字移相测量法实时性好, 但是在测量信号含有谐波时测量误差较大[1]。

本文采用ARM进行FFT运算, 利用ARM处理器的快速性解决了实时性不好问题, 同时对电参量进行实时检测和处理, 以达到无功补偿最佳效果。 这种算法通过对N=2n点的时间序列f (n) 逐步分解而得到F (k) 。 对电压、电流分别采样N个数值, 构成2个数组进行FFT运算, 得到基波电压、基波电流幅值的实部和虚部[2,3]。 考虑到ARM的运算速率, 每个周期采样64 个点进行FFT运算, 单次算法计算时间为80ms, 可满足需要。FFT运算结果见表1。

3.2 电容投切

电容器投切流程如图6所示。考虑到电网三相无功功率不平衡, 控制器需要实现混合补偿, 以FFT计算出的基波功率因数和基波无功功率值作为电容器投切依据。当系统处于过电压、欠电压、过流、电压过畸变等保护状态时, 控制器不投入电容, 已投入电容也会依次被切除。

补偿容量计算式为:

电容投入判断:ΔQ>α×Q1, cosθ<cosθ1

电容切除判断:ΔQ>β×Q1, cosθ<cosθ2

式中, ΔQ为电网需要补偿的基波无功容量;cosθ1为投入功率因数;cosθ2为切除功率因数;cosθ 为当前电网功率因数;Q1为第一路电容器的容量;0.6≤α≤2.5;0.6≤β≤2.5。

为了适应电网负载变化而进行电容器容量搭配的做法称为输出编码法, 它应符合一定的规则。控制器提供了12种电容容量比例搭配, 即配置了12 种不同容量比例的电容器组合。根据现场电容比例, 选择一种编码方式, 控制器会自动计算电网无功缺额, 投入或切除电容器, 不存在投切震荡问题, 补偿效果好。

4 应用实例

某冶金车间变配电室供电系统为10kV, 有一台容量为800kVA的10/0.4kV变压器。变压器的负载率在65%左右, 主要负载为交流电机 (感性负载) , 总体功率因数在0.5左右, 电网谐波主要是5次和7次。

根据电网参数, 确定补偿总容量为275kVA;滤波电抗器选择电抗率为7% 的电抗器, 投入门限设为0.9, 切除门限设为0.98;共补4路, 编码方式为1.1.2.4, 共补容量为25、25、50、100kvar; 分补3 路, 编码方式为1.2.2, 分补容量为5、10、10kvar。控制器可自动完成电容器的投切, 投切稳定, 没有震荡。

安装控制器后, 电流降低40A, 电网功率因数从0.5提高到0.95, 电费从12 000元/月降低到8 000元/月, 达到了节电目的。

5 结束语

以ARM为核心, 以基波功率因数和基波无功功率为电容投切依据的ARC低压无功功率自动补偿控制器, 补偿精度高, 投切稳定无震荡, 具有过电压、 欠电压、 欠流、断相、电压过畸变、温度等保护和报警功能, 提高了补偿电容器的使用寿命。 控制器支持嵌入式和导轨式安装, 且具备完善的网络通信功能, 广泛适用于石油、 电力、煤矿、化工、造纸以及民用建筑等领域。

摘要：介绍一款以基波无功功率和基波功率因数为电容投切依据的ARC低压无功功率自动补偿控制器。该控制器以ARM为核心, 使用FFT算法实现基波无功和谐波的计算, 采用编码方式精确配置共补电容器和分补电容器。运行结果表明, 该控制器能有效提高线路功率因数, 实现节能降耗。

关键词：无功补偿,ARM,FFT,电容投切

参考文献

[1]陈啸晴, 粟梅.几种无功功率测量算法的仿真比较中[J].广东技术师范学院学报, 2008 (12) :25~28

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低压控制柜的设计分析 篇5

近年来,35k V及以上等级变电站越来越多实现无人值守,而站内低压用电是保证变电站各种电气设备运行维护的基础,因此对变电站低压配电屏进行有效监控就越发显得重要。低压配电屏一次系统结构一般设计为两路进线,通过自动转换开关ATS或者联络开关实现不同电源之间的切换,出线负荷可根据实际需求配备相应的开关。在低压配电屏中加入智能控制系统,不仅可准确掌握相关电量参数、实现自动切换、远程监控等功能,还可丰富产品内涵,极大提高产品竞争力[1]。本文主要介绍低压智能控制屏的设计思路及实现方式,通过系统的集成,将PLC、触摸屏、PM表、电压检测模块等智能设备有机的结合在一起,完成对进出线开关及相关电力参量的有效监控。

2 设计要求

低压智能控制屏的设计要求主要有两部分:(1)电力参数及进出线开关状态采集、就地显示及上传;(2)两路进线电源自动切换。

电力参数需要采集两路进线的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等参数[1]。进出线开关状态要求实时反映低压配电屏进线、出线开关的状态。设计要求将上述遥测遥信量就地显示于人机界面,并能准确上传至上级监控平台。

为了确保供电可靠性,变电站低压配电屏设计为两路进线,通过自动转换开关ATS或者母联开关实现两路电源之间的切换。采用ATS的方式时,该设备有0、1、2三种位置状态。当ATS处于0位置时,两路电源皆不投入;当处于1位置时,I路电源投入运行;当处于2位置时,II路电源投入运行。基于ATS的控制特点,要求智能控制系统对ATS有五种控制模式,分别是:停止、固定电源I、自动电源I、固定电源II、自动电源II,综合汇总如表1所示。

采用母联开关的方式时,一般采用两进线一母联的“三合二”的控制方式保证供电,实现方式与ATS类似,不再赘述,下面仅以ATS为控制对象加以说明。

3 系统分析与设计

3.1 网络结构及硬件分析

按照上述设计要求,在考虑满足性能的同时,还要兼顾整体价格的平衡,因此系统设备的选型需慎重考虑。智能控制系统不仅要完成自动控制的功能,还要完成与底层设备的现场总线通信功能[2]。因此通过综合考虑,智能控制系统的核心设备选择了施耐德公司的小型PLC:TWDLCAE40DRF。该设备在本体有24个开关量输入点,16个开关量输出点,还可以通过扩展模块将IO点数最大扩展至264点。该设备更为强大的是有三个通信口:1个可作为通信用的编程口;1个RS485通信口;1个以太网接口,该PLC具有很强的集成与扩展能力[3]。参阅图1中的系统结构,Twido作为核心控制单元,通过以太网上联触摸屏以及上级监控平台,通过RS485现场总线下接智能接口设备,还能通过I/O硬接线连接开关的辅助触点,完成输入输出控制。

电力参数的采集主要使用施耐德公司的PM200,该产品通过对电流电压的测量,计算出各种电力参数,并通过RS485通信口与上位机连接,是一种经济简便的多功能电力测量仪器。进出线开关状态采集使用PLC与CCM16采集器相结合的方式。与PLC在同一面屏的开关,将其辅助触点接入PLC开关量输入点,与PLC不在同一面屏的开关,在该屏配备开关量采集模块CCM16,将辅助触点接入CCM16,然后通过通信口上传至PLC。具体接线示意图可参见图1的左下角部分。

人机界面选用台湾威伦通公司的触摸屏MT8104,该产品拥有65536色、TFT LCD;USB打印机接口;3组串口可同时使用3种不同通讯协议;支持100M以太网,是完全应工业所需研制而成的高品质触控式工业用人机界面[4]。图1中触摸屏通过以太网与Twido相连,实现数据显示、趋势曲线描绘、告警信息汇总、控制命令输入等等人机交互功能。从图1可看出,PLC通过RS485通信口与底层智能设备连接,以现场总线的方式将数据采集到PLC,并通过程序将相关信息存储到内部存储区。就地显示使用触摸屏,实时反映配电屏的运行状态,显示电流电压趋势曲线以及系统相关的告警及运行信息。上级监控平台可以通过以太网接入到本智能监控系统,利用MODBUS TCP/IP通信规约进行信息交换,通信速率可达到100M/S,保证了数据更新的实时性与准确性。

3.2 PLC编程实现

使用与Twido PLC配套的编程软件Twidosoft实现既定的控制逻辑及智能口通信功能。对于ATS控制的关键点在于电源的检测,为此选用Carlo Gavazzi公司的DPB71CM23型电压检测模块。该模块能够检测输入电压的欠压、过压、缺相、反相等状况,通过辅助触点提供必要的信息,并且在模块面板上有指示灯反映故障信息。

以自动电源1模式为例说明控制逻辑原理:(1)在远程控制模式下,操作人员通过触摸屏发出控制指令,两路电源都正常,电压检测模块实时检测电源状况,PLC控制ATS先处于1位置;(2)电源I不正常,电压检测模块发出电压不正常信号,PLC经过延时后,控制ATS断开1位置,回到0位置;(3)经过一定延时后,PLC断开0位置,转到2位置,使用电源II供电;(4)当电源I恢复正常时,电压检测模块发出电压正常信号,PLC断开2位置,回到0位置;(5)经过延时,PLC控制ATS断开0位置,回到1位置,恢复电源I供电。在自动电源1模式下,如果电源2不正常,ATS保持在1位置不动作。如果两路电源都不正常,PLC控制ATS处于停止状态。

在本智能控制系统中,PLC有效地对底层智能口进行通信也是非常关键的。Twidosoft软件提供了强大的通信宏功能。通信宏通过简单的配置,指定好通信口的相关参数如波特率、设备地址、数据存储区等就可以与底层设备进行通信了。该软件最大支持总共32个通信宏,即最大32个子设备的智能通信。通信宏支持MODBUS以及TCP/IP通信规约。

实际编程中,由于MODBUS主从应答式的通信机制,需要逐次分步调用通信宏,因此在程序开头应设计一个步进计数器。步进计数器利用系统脉冲信号产生步进脉冲,每个步进脉冲调用一次通信宏,以此来控制每次PLC主站与底层设备子站之间的通信[5]。

下面结合图2编程实例说通信宏调用的机理。梯形图第10行表示步进计数器的第1步发生时,使内存点%M1为1,同时将需要采集数据的首地址存入通信宏指定的临时变量%MW23。第11行表示在%M1上升沿时调用通信宏COMM1的读N字指令,具体是读10个字。第12行表示在%M1下降沿时,将宏读到的10个字的数值赋值到从内存点%MW100开始的10个字。

3.3 人机界面功能设计

触摸屏与PLC通过以太网进行连接,使用MODBUS TCP/IP通信规约进行信息交换,两者的传输速率可达到100M/S,保证了数据刷新的实时性。人机界面的功能设计包括四部分:系统电力参数及开关状态实时显示;密码管理及开关操作;电流电压趋势曲线图;系统运行状态及告警信息显示[6]。

电力参数及开关状态实时显示主要包括PM200的三相电流、相电压、线电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能、ATS位置状态、出线开关位置状态等等。密码管理及开关操作功能设计为需要输入正确密码才能在触摸屏发出控制命令,如控制模式及ATS位置的转换。电流电压趋势曲线图将三相电流、三相电压的趋势曲线反映到人机界面,具有前后翻动显示或者曲线保持的功能。人机界面还有系统运行状态及告警信息汇总显示功能,方便操作人员及时快速掌握系统存在的问题。

4 应用情况

低压智能控制屏采用了先进的系统结构,对底层智能设备的通信非常稳定,实时反映低压配电屏的运行状态以及电力参数。在自动运行的情况下,智能控制系统能够准确判断电源情况,根据设定好的程序完成电源的自动切换。人机界面简洁友好,便于操作人员掌握系统全部运行情况。目前本低压智能控制屏推出一年多以来,已成功应用在超过50个35k V及以上电压等级的大型变电站的站用低压配电系统中,以其稳定准确、功能完善的特点得到了用户的好评。随着越来越多的大型变电站的兴建或技术改造,本低压智能控制屏也将得到更大范围的推广和应用。

5 结语

本文主要介绍了基于PLC技术的低压智能监控屏的设计及应用情况。低压智能监控屏结合现场总线及以太网技术,有效地将各种智能设备集成为具有实时显示、自动控制的监控系统。本智能监控系统与低压配电屏的融合,极大地提高了配电屏的技术含量,丰富了产品内涵,提高了配电用电的安全性和可靠性,且配置简单,性价比高,可移植性强,是值得广大配电屏生产厂家大力推广应用的自动化监控系统。

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低压控制柜的设计分析 篇6

关键词：无功补偿,微控制器C8051F020,智能终端,GPRS,RS-485

1 引言

随着我国国民经济的发展, 大量的阻感负载接入电网, 在运行时产生谐波、电压波动和闪变, 造成电网电压波形畸变, 三相负荷不平衡, 供电质量下降, 影响电网及用户设备安全和经济运行, 减小无功和消除谐波是提高电能质量的必要因素[1,2,3,4]。

由于农村地理位置的复杂性, 目前全国大部分农村电网存在以下问题:①农村电网分布广、距离远、早晚负荷变化大, 运行参数以及用电情况统计不全, 农网规划建设缺乏依据。②农村电网低压绝缘状况差, 漏电保护装置频繁跳闸, 农网送电及电容器投切尚未实现远程自动化控制。③农村用电常识差, 变压器及低压线路损坏、被盗情况严重。

为解决或缓解上述问题, 考虑到农网台变数量众多, 在满足基本功能的基础上, 为便于推广, 本文提出一种基于无线分组业务GPRS的低压配电网智能控制及监测终端, 该终端与主站监测计算机依照《Q/GDW130—2005电力负荷管理系统数据传输规约》通过GPRS网络与主站进行数据交换。实时传输电能量、功率因数、峰值、峰值发生时间、参数等。主站监测机根据所获得的数据监测配变运行工况[5,6,7]。

终端的功能主要包括以下三方面。首先是对低压馈电线路的电压电流进行监测, 记录每日峰值电压, 过载、欠压等数据, 实现对配电台区工况的监测;其次是对状态量的监测与控制, 终端实时记录漏电保护开关及TSC投切开关的动作时间及频率, 并采用电压-无功综合自适应控制方法自动调整相关控制系统参数实现先投先切和循环投切功能;再次就是防盗监测功能, 终端通过液位传感器和数字式温度传感器采集配变的油位和油温, 判断是否正常运行。监测到的数据将按照规约格式生成事件通过GPRS无线网络上传到主站。

2 系统硬件设计

考虑到硬件成本, 该智能终端的CPU选用混合ISP FLASH信号微控制器80C51F020, 充分运用其高速、流水线结构的CIP-51内核和扩展的中断系统来完成无功功率动态补偿及配变监测与控制功能。本系统结合功能需求, 主要由CUP基本模块、功率计量模块、补偿电容器投切控制驱动模块、状态量采集模块、存储模块、键盘/液晶显示模块、日历时钟、RS-485和GPRS通讯模块等部分组成。硬件总体框图如图1所示。

2.1 信号采集与功率计量

本系统采用的电压互感器为LCTV3JCF型精密电压互感器, 额定输入220V/50Hz, 额定输出0.5V。功率计量芯片为多功能防窃电基波、谐波三相电能专用计量芯片ATT7022C, 它集成了六路二阶sigmadelta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数的数字信号处理等电路。ATT7022C还提供一个SPI接口, 方便与外部MCU之间进行计量参数以及校验表参数的传递, 所有计量参数都可以通过SPI接口读出。电网电压和电流分别通过电压电流互感器以及放大电路后采用差分方式输入给功率计量芯片的电压电流通道, 测量电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量等电参数, 单片机通过串行外围设备接口SPI读取功率芯片中的电参数。

2.2 状态量采集与控制策略

该模块主要是用来采集开关状态, 以及控制电容器和馈电回路的投/切。电容器的投切采用三种补偿控制方案—电压判据方案、新型电压/无功功率判据方案、新型电压/功率因数判据方案;补偿方式有循环投切及编码投切。“循环投切”方式是先投入运行的电容组先退出, 后投的后切除, 从而使各组电容及投切开关使用机率均等, 降低了电容组的平均运行温度, 减少了投切开关的动作次数, 延长了投切开关的动作次数, 延长了其使用寿命。“编码投切”方式下补偿电容器可采用不等容量分组方式, 按数字编码组合配置。构成多级电容器投切, 投切时按所需补偿电容量对应的编码组合实现一次补偿到位, 不需要逐级投切, 从而有利于提高补偿精度。同时还避免了“投切振荡”现象。馈电回路开关控制采取的是过流轮切、短路全切的方式, 大大提高了供电可靠性及安全性。单片机得到的投/切控制策略通过单相动态光电晶闸管驱动器TLP521输出控制快速复合继电器, 实现对电容器以及馈电回路的投/切, 由于输入和输出采用光电隔离, 绝缘电压可达5000V。

2.3 信息存储

为了记录每相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、电容器投切时间和次数以及运行异常信息等, 系统采用两片FM24V05来保存终端的运行参数。在传统的电子电表中, 多采用电可擦可编程只读存储器 (Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory, EEPROM) 器件来保存电量值。但此类器件的缺点是:写入速度慢、擦写次数有限, 以往为解决这两个问题, 设计者多采用增大写周期时间、加入掉电监测线路等方法。本设计中的新型铁电存储器FM24V05解决了上述两个问题。FM24V05具有容量大、数据掉电保存、写数据无延时 (以总线速度执行写操作) 、擦除次数无限制、价格与普通的EEPROM芯片接近等优点。该装置能保存一周的采样数据及故障信息数据, 为维护及查询提供便利。采用本设计方案, 不仅有利于系统的硬件电路简化, 还可以提高电量计量的精度, 减少累积误差。

2.4 远程通讯

SIM300是一款GSM/GPRS模块, 可在全球范围内的EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作, 能够提供GPRS多信道类型多达10个, 并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。SIM300内部集成了TCP/IP协议栈, 并且扩展了TCP/IP AT指令, 使终端的数据传输变得非常简单方便。SIM300从VB A T采用单电压供电, 电压为3.4~4.5V。考虑到当电流消耗升至典型峰值2 A时, SIM300的传输脉冲波形可能导致电压下降, 所以设计中采用高电流、高精度、低压差的MIC3930 BT稳压芯片供电, 确保电源能够提供足够到2A的电流, 选用100μF的钽电容 (低阻抗、低成本) 并联一个小的10μF瓷介电容作为VB A T引脚的旁路电容。电路板布局时, 电容放置尽可能靠近SIM300的VB A T引脚。SIM300的电源设计原理图如图2所示。

取R1=2.2 kΩ, R2=1 kΩ, 则可得到VB A T=3.952 V。

GPRS模块实现IP地址设定、终端数据无线抄读和定时存储、远程I/O端口控制、报警通知、实时时钟等功能。另外, 电路设计上还提供一个锂电池备用电源专供给SIM300模块, 用于终端掉电时的数据传送与保护。

3 系统软件设计方案

终端的通信基于负控规约, 且其数据采集、存储、传输等流程复杂, 传统的单任务系统无法满足终端的功能要求, 须引入操作系统, 设计多任务并行执行的软件。μC/OS-Ⅱ是一种基于优先级的抢占式多任务调度操作系统, 最多可管理64个任务, 并提供信号量、邮箱、消息、内存管理等丰富的系统功能, 是一个功能齐全的实时操作系统[8,9]。电网的各项参数可由ATT7022C中直接读出, CPU不涉及采样数据的处理, 这使CPU运算量大大减少。但终端流程复杂, 传统的单任务系统无法满足终端功能要求, 须引入操作系统, 设计多任务并行执行的软件, 本系统选择了源代码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ作为整个系统的执行软件。

系统软件主要由人机交互模块、ATT7022C功率计量模块、预警及保护模块、无功管理模块、GPRS通信模块、存储模块、状态检测模块等组成。ATT7022 C功率计量模块完成控制器所需各项原始数据的采集及处理;预警及保护模块在数据的基础上实现系统所需的各种控制及保护操作, 例如越限报警、防盗预警等;存储模块完成各项历史数据的存储工作;GPRS通信模块实现控制器与外部的数据交换。控制器软件体系结构图如3所示。

程序中的主程序, 所要完成的功能仅仅是初始化硬件和各种实时变量, 并建立所需的全部任务, 然后启动系统内核, 把CPU控制权交给操作系统, 然后永远不会返回至主程序, 这是与传统的软件结构的最大区别, 大大提高了工作效率。

4 现场测试

本装置在湖南湘潭某农村台变10k V/380V低压电网运行效果良好, TSC投入运行后, 电网功率因数提高, 负荷电流随之下降, 现场应用数据见表1。本装置不但能够提高功率因数、实现TSC的自动投切, 达到无功自动跟踪补偿作用, 而且还可以实时监测变压器的工况, 确保农村台区变电站安全运行。

5 结论

本文首先通过对农网台区变的智能终端进行了详细的需求分析, 在此基础上, 综合考虑硬件成本和软件开发周期等多方面因素, 完成了该智能终端的硬件设计, 并对其各个功能模块进行了相关的校表测试;测试通过后, 对各功能模型进行了软件编程;并完成了电能检测、LCD液晶显示、按键控制、数据存储、利用GPRS与基站进行通讯等功能的实现。

最后, 在实验室建立的各个功能测试实验平台上, 该智能终端系统有效地解决了自动重合闸及远程投切问题, 实现了电力设备的远程监控。该系统的使用可大幅度地降低电工的工作量及维护成本, 提高电力部门的自动化管理水平及工作效率, 为农村电网供电可靠性、供电质量以及规划建设提供了最基本的资料, 对农村电网的智能化建设做出了重要贡献。

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低压控制柜的设计分析 篇7

风电、光伏、潮汐等可再生能源，因具有无污染、可重复利用等优点，得到广泛的开发和应用，尤其是中西部地区，风光能量丰富，新能源的应用前景非常广泛，但新能源具有输出功率不平稳和电能质量差等缺点，这样将造成严重的电网电压波动，为了稳定电压，必须在新能源电站中投入合适容量的无功补偿装置，而高压链式静止同步补偿器(STATCOM)具有补偿性能优越、动态响应快、自动化程度高等优点，是新能源电站的主要无功补偿装置。新能源电站接入电网的相关接入标准[1,2]规定了接入电网设备的电压运行范围，包括低电压穿越能力，也即高压STATCOM必须在一定时间内产生足够的无功功率对电网电压进行支撑，以达到保护设备的作用[3]。

高压链式STATCOM具有两种接线方式，三角形和星形接线方式，新能源电站主要采用星形接线方式，但星形接线方式的STATCOM在三相电压不对称情况下，易出现换流链各链节的直流母线电压不均的问题。因此，直流母线的均压控制是高压链式STATCOM低电压穿越的技术难点。

目前对直流母线均压有多种方法，如换流链内均压就存在电流控制、电压控制等多种方法；换流链间的均压有解析法[4]、负序电流注入法[5]和零序电压注入法[6,7]等情况，但是这些方法都仅研究了三相电压对称时的情况，在三相电压不对称的条件下，该方法的适用性还没有得到深入研究，本文针对不平衡的情况进行了理论分析，以期解决高压链式STATCOM的低电压穿越问题，提高其在新能源电站中的电网适应性。

1 高压链式STATCOM的不对称分析

高压链式STATCOM是由换流链、电抗器等组合而成，其中星形接线的链式STATCOM具有三相换流链中性点[8]。不对称分析的基本方法为对称分量法，也即将不平衡分量转化为对称的正序、负序和零序分量进行叠加。

如图1所示，每相换流链共有n个链节，Ls为电抗器，o为三相换流链的中性点，O¢为电网的中性点，两者没有物理上的连接，但是理论上两个中性点应当是等电位，也即，链式STATCOM侧的逆变电压为vra、vrb、vrc。

1.1 跌落下电网电压的对称分量法分析

以两相跌落为例，假设原幅值为1,A、B两相跌落至k，则三相相量为U(5)A、U(5)B和U(5)C，如图2所示，是两相跌落到0.2 p.u.时的矢量分解图。

零序分量为：

同理，可推若为BC两相、CA两相跌落时，零序分量分别为即两相电压跌落时，零序分量的幅值为相位与非故障相的相位相同。

同理，正序分量为：

也即两相电压跌落时，正序分量幅值为相位不变。

负序分量为

也即两相电压跌落时，负序分量的幅值为，相位与非故障相的负序相位相同。

单相跌落的情况与两相跌落的分析方法类似，其结论为：

发生单相跌落时，系统零序电压幅值为相位与跌落相相位相同；

发生单相跌落时，系统正序电压幅值为相位与A相相同，即相位不变；

发生单相跌落时，系统负序电压幅值为相位与跌落相的负序相位相同。

1.2 链式STATCOM的对称分量法分析

令Vp、Vn、V0分别表示正序、负序、零序电压分量，根据对称分量法[9]，可得

式中：w为旋转角频率；为负序电压的初相角；为零序电压的初相角。

同理，定义换流链的三相电流为正序电流为Ip，负序电流为In，链式STATCOM是采用星形连接方式，不存在零序电流。则可以推出：

式中，分别为正序电流和负序电流的初相角。

1.3 链节电容直流电压功率平衡原理

根据文献[10,11]，链式STATCOM的稳态直流母线电压仅取决于有功功率(自身损耗功率)。考虑到实际装置设计时，电容选型已经充分考虑到了纹波率，因此，在本文的分析中，主要考虑稳态的直流电容平衡效果，也即有功功率的平衡。

考虑到有功功率在一个周期内是平衡的，则：

式中：P为有功功率；v为电压；i为电流。将式(3)和式(4)、式(5)联立，可得：

其中，为三相换流链的有功功率，并且

如要达到功率平衡的目的，实际上需要使得：

1.4 负序电流注入方法的原理

为了简化控制原理，假定在发生低电压穿越的瞬间，换流链的中性点电压不发生偏移，也即此时仍然维持那么：

Vo(28)0(9)

从式(7)～式(9)可知，如果必须保证直流母线电压平衡，必须有：

进一步推导可得：

由式(11a)可得：

由和差化积公式可得：

同理，由式(11b)可得：

式(12)和式(13)联立，可得：

则可以根据式(14)，只要注入负序电流和正序电流、正序电压、负序电压满足如下关系：

此时就可以使得在发生电网三相不平衡时，最终换流链电容直流电压达到有功功率平衡，从而起到平衡电压的目的。

2 负序电流注入的控制方案

2.1 正负序电流的自动检测方法

根据式(14)和式(15)虽然能够在原理上计算出需要注入的负序电流的幅值和相位，但是实时计算负序电压的初相角，以及正序、负序电流的初相角是非常困难的，这在工程上很少采用。

因此，针对控制的目的，是为了向链式STATCOM注入一定量的负序电流以平衡电容直流电压，因此只要通过合适的检测和闭环设计，就能够达到控制的目的。

结合文献[11]，采用双同步旋转坐标系的方法来将正、负序电流进行分离，其总体框图如图3所示，分别为检测得到的正序d轴和q轴、负序d轴和q轴电流分量，低通滤波器一般取35 Hz为宜，t是锁相得到了瞬时相位(相位与A相相角一致，0点对应电压过零点)，需注意负序检测时锁相角需要乘以-1，而低通滤波器之后需要乘以2或者-2。

图3中，3s/2s是clark变换，也即：

2s/2r是park变换，本文中用到的公式为：

式(18)对应：

使用该公式时需注意倍数和符号。

通过图3的控制方法即可得到预检测的正、负序电流的各轴分量。

2.2 链式STATCOM的负序电流指令生成

负序电压也是由直流电压通过逆变得到，根据对称分量法，令VCa、VCb、VCc分别为三相换流链电容直流电压之和，则可得：

将其按照式(16)、式(17)的坐标变换，令n(28)0可得：

式中，为负序电压对应的d轴和q轴分量，该计算实际上与真实的值相差了的角度，并且结合式(16)，可以采用PI调节器对角度进行修正，从而自动得到负序电流的d轴分量和q轴分量(这是因为电压和电流的幅值之间存在着线性关系)，也即需要注入负序电流分量，如图4所示，在本文中，都是以电流流出作为电流的正方向，以下不再重复说明。

该控制策略[12,13]的意义是通过三相换流链直流母线电压的实际值，计算出为了平衡换流链直流电容电压待注入的负序电流的大小，也即负序电流的d轴和q轴分量。

3 加速动态响应的控制逻辑

在第2节中通过稳态的推导，说明了负序电流控制方法能够在三相不对称情况下，实现最终的电容直流电压均衡。但是，还需要有合适的辅助策略，以应对暂态直流过电压以及暂态过电流[14,15,16]。

3.1 电压前馈解耦

实际上，在图5中[17]，已经包含了电压前馈解耦，也即与相关的若干项计算，这些电压前馈能够有效地跟踪电网电压变换，降低电压波动所带来的过电流问题，其中前馈系数的计算公式为：

实际上，系数即当前的调制比，是相电压的峰值与单相换流链各电容电压和的比例。

其中Us为电网相电压的有效值，也即三相换流链直流电压之和的平均值。

通过该策略，容易看出这是基于电网三相对称条件下，来抑制电网电压波动的一种策略，并不能完全抵消电压发生严重跌落时产生的过电流，也不能起到暂态平衡电网的作用，因此该策略还需要其他的控制逻辑。

3.2 负序电流指令的初值计算

如果完全通过2.2节中图3的控制环路进行自动计算，虽然能够产生正确的结果，但是在暂态情况下，不一定能够满足暂态要求，将对直流电容产生较大的不平衡，而导致设备故障停机，因此，作为提高运算速度的方案，可以根据不平衡度计算出一个初值。

由于高压STATCOM的有功损耗较小，有功电流近似为0，可以认为正序电流全部为无功电流，令为正序电流的q轴分量，结合式(15a)可得：

假如发生两相跌落，以A相、B相跌落为例，结合1.1节的结论，有：

则将该值作为负序电流的q轴指令初值，就可以尽量地逼近终值，起到加速的效果。

3.3 暂态过流的辅助逻辑

虽然增加了指令计算初值，但是在实际中，由于相角的误差，仍然可能出现动态过程中的过流现象，为了顺利通过低压穿越，需要采用暂时封锁脉冲后再解锁的方法，来抑制暂态的过电流。暂封脉冲的时间需要根据实际情况设置，一般几毫秒即可。

4 仿真和试验

4.1 simulink仿真

仿真和动态模拟试验所采用的参数一致，被测链式STATCOM参数如表1所示。

仿真中的跌落时间为0.75 s开始跌落，2 s恢复，跌落深度为0.2 p.u.，如图6所示。发生了A相和B相两相不对称跌落。

图6中，从上到下依次为A相电压、B相电压和C相电压。

仿真波形见图7所示，图7(a)为低压成穿越前后的电流波形，可以明显看出负序电流的存在；图7(b)是未加入辅助控制策略的换流链电容直流电压的瞬时值，其瞬间峰值高达60 V；图7(c)为加入了辅助逻辑的换流链电容直流电压的瞬时值，其瞬间峰值为54 V，下降了10%，这有利于提高装置运行的安全性和可靠性。

4.2 动态模拟系统试验

图8所示动态模拟系统试验由两部分构成，一是电压发生器(实线框内所示)，采用的是背靠背双向变流器，可输出各种跌落电压。

在瞬时两相跌落到0.2 p.u.时的试验的波形见图9所示，所示采用泰克DPO3034数字示波器进行录波，通道1是A相电流，通道2是B相电流，通道3是A相电压，通道4为B相电压。

从图9可以看出，试验波形与仿真波形基本一致，这说明该控制算法能够解决电网电压不对称跌落的动态响应，单相跌落时的波形与之类似，本文不再累述，在试验过程中，因考虑到安全，单个链节电压的波形未进行监测录波，从已经通过了1 s的低压跌落时间而没有过压故障，可以判断，该控制方法满足低压穿越的要求。

4结论

本文首先应用对称分量法分析了电网电压的电压和电流特性，由该特性得出了发生跌落时的正负零序分量对称的幅值和相位关系，进一步分析了链式STATCOM的正负零序特性，并根据功率平衡原理，从理论上说明了负序电流注入法在低压穿越时的可行性。针对负序电流方案，还描述了负序电流检测、负序指令生成的计算方法，并给出了总体的控制方案，该方案相对于计算方法，具有自动追踪、方法简单的优点，为了保证在不平衡条件下低压穿越能够顺利进行，本文又给出了一些优化控制的辅助控制方法。通过一系列仿真，说明了负序电流注入法在低电压穿越时的有效性，同时对比了加入辅助控制和未加入辅助逻辑控制的波形，结果表明，辅助控制能够降低暂态过电压，提高装置的可靠性。

最后，通过动态模拟系统对该算法进行了验证，结果表明，本文提出的基于不对称分析的高压链式STATCOM的低电压穿越控制策略方法简单，效果明显，具有较大的推广应用价值。

摘要：作为新能源电站的主要无功补偿和电压支撑设备,高压链式静止同步补偿器(STATCOM)也需具备低电压穿越的能力,特别是三相电网电压不对称故障的低压穿越能力。为解决此难题,采用对称分量法分别分析了电网侧和换流链侧,并推导出数学公式,结合该公式提出了一种基于负序电流注入的高压链式STATCOM的低电压穿越控制策略。该策略包含了控制算法和控制逻辑,能够满足三相电网对称以及不对称下的跌落工况。通过仿真和试验,验证了该方法的有效性,并将其应用于工程实践中。

低压控制柜的设计分析 篇8

1 铝合金车轮发展

改革开放以来, 我国对于压铸件的需求日益提升, 因此, 大量的铝合金铸造厂逐渐繁荣起来。进入21世纪, 中国的铝合金车轮产业发展迅速, 但与国外相比还存在一定的差距, 其主要问题在于生产设备落后, 工艺有待于进一步提高, 从而导致不合格产品居多。

我国的铝合金铸造技术起步较晚, 解放后才逐渐重视铝合金铸造工业。在20世纪80年代, 中国的铝合金车轮开始逐步发展, 并在20世纪90年代得到了跨越式发展。当铝合金车轮企业在我国如雨后春笋般迅速蔓延后, 对于铝合金车轮技术的研究也提上日程, 尤其是对于铝合金车轮铸造缺陷的分析则不断涌现出新的理论。

2 铝合金车轮低压铸造

在现阶段, 人们更加倾向于能源利用高、污染小的汽车, 这也是汽车制造商在选择材料时需要考虑的因素。在各种考虑因素中, 汽车减重很重要, 为了满足顾客的需求, 当各项性能不断满足的同时, 其带来的必定是车身自重的提升, 这就需要采取轻质材料, 通过减重提高燃油的经济性。铝合金强度高, 轻便, 耐腐蚀性强, 成为轻质材料中的首选。

铝合金车轮低压铸造技术是在金属型铸造基础上积累经验发展起来的。其主要就是将金属在密闭的容器中融化后, 借助液面上的压缩性惰性气体或空气的压力降金属液通过升液管压入型腔, 使其在压力状态下逐渐凝固。然后再减小液面上的压力, 使升液管中未农谷的液相金属液回落到熔炉中。低压铸造技术生产的铸件质量高, 结构紧密, 能够节约大量的制造成本。目前, 该技术在国内外应用得十分广泛, 大约有90%的汽车车轮采用低压铸造的方法。铝合金车轮采取低压铸造技术可大大提升产品的性价比, 质量上乘。

3 铝合金车轮低压铸造缺陷分析和控制

铸造缺陷是制约铝合金低压铸造发展的主要因素。常见的铸造缺陷有裂纹、缩孔、针孔、氧化膜夹杂等。国内学者针对这一现象做了大量的研究工作。有学者针对A356铝合金车轮低压铸造缺陷进行了分析, 并对相关现象出了自己的观点, 还提出了工艺方面的改进措施。还有学者针对裂纹的形成与消除提出了观点, 由于裂纹形成原因复杂, 所以在防范裂纹生成时, 需要调整车轮结构、设置合理圆角、提高模具温度、合理设计升液系统等。

铝合金车轮的铸造技术要求很高, 其要满足各种要求, 如车轮的气密性、表面抛光、几何公差和旋转平衡等。但铸造缺陷的存在将大大限制满足这些要求的可能性。作为铝合金车轮铸造技术中不可避免的问题, 关于铸造缺陷的研究、分析和改善更加重要。

3.1 裂纹

作为低压铸造中的常见缺陷, 裂纹关系到企业的生产成本和生产效率, 更关系到汽车的安全性。裂纹主要是由于应力集中产生的, 分为冷裂纹和热裂纹。冷裂纹主要是因为铸件冷却时内部应力超过铸件自身强度的极限而形成的裂纹, 多生成在铸件表面。热裂纹则主要产生于合金的凝固之中, 这主要取决于固态收缩是否会受到阻碍, 如果没有阻碍就不会产生热裂纹, 而一旦受到阻碍, 就可能会因应力的存在而导致枝晶间的液体金属薄膜未凝固而产生热裂纹, 因为如果开裂速度过快, 这些金属液无法及时填满开裂部位, 裂缝自然就会形成。

为了避免产生裂纹, 首先, 需要合理设计升液系统。升液管不宜过长, 否则会使金属液过早凝固。要尽力缩短金属液面与浇口间的距离。扩大保温层厚度, 可以通过增加保温套的直径来实现。然后还要采取保温功能好的材料。增加升液管的直径, 以防过早凝固。

3.2 缩孔缩松

缩孔缩松是压铸车轮中的常见缺陷。缩孔主要体现在显微组织中未形状不规则、不光滑、大而集中的空洞, 而缩松则表现而小而分散的孔洞。缩孔缩松缺陷主要是由于和在凝固过程中没有得到很好的补充区域所出现的现象。缩孔缩松会降低材料的性能, 减少产品的寿命。根据实践可知, 缩孔缩松主要出现在轮辐、轮芯和轮辋部位。缩孔缩松与合金液的温度、充型速度、保压时间及顺序凝固有关。

关于缩孔缩松的控制, 第一, 要冷却合金液充型的温度;第二, 提高保压的压力和时间。第三, 科学设计车轮结构。第四, 通过合理的冷却方式与系统保证凝固的正确顺序。

3.3 微孔

微孔又称之为气孔, 其尺寸很小, 形成机理较为复杂。受到氢的溶解度影响, 合金液在不断吸入氢后, 会不断溶解氢, 当达到其溶解度后, 一些被溶解的氢气会释放出来, 如果氢的浓度大于凝固区域的压力, 这时候就会形成气孔。气孔的多少和大小不仅与溶解在铝合金液中的氢浓度有关, 还受到凝固条件的影响。金属液在不断凝固的过程中, 尤其到了最后阶段, 局部压力的下降速度很快, 这样就会因分压超出局部压力值而形成气孔。气孔的形成无法避免, 而且气孔的数量与时间有关, 如果铸件在夏天和秋天生产, 那么气孔的数量就会增加。

气孔不仅影响车轮的美观和装饰, 还会影响车轮的疲劳寿命。所以针对气孔的控制措施亦要开展。第一, 使用的炉料可以将氢清除干净, 改进排气装置的排气功能。第二, 铝液充型时能够保持合金液按照顺序充型。第三, 涂料的选择要慎重, 尽量选择发气量少的类型。

结束语

综上所述, 关于低压铸造铝合金车轮主要缺陷分析与控制需要高度重视, 这样才能不断提升铝合金车轮的性能, 提高车辆驾驶的安全系数。低压铸造在铝合金车轮的生产中具有不可或缺的影响力, 其拥有许多铸造方式缺乏的优点, 所以更要高度重铸造缺陷对车轮的质量影响。

摘要：铝合金车轮的低压铸造技术不容忽视, 其不仅可以大大降低制造成本, 也可以提升产品质量。在低压铸造中, 不容忽视的是各种各样的铸造缺陷, 生产企业每年因铸造缺陷报废的车轮数量庞大, 所以研究铝合金车轮低压铸造缺陷, 找到解决对策则显得意义重大。

关键词：低压,铸造,铝合金车轮,缺陷

参考文献

[1]张响.铝合金车轮数字化仿真及工艺优化[D].杭州:浙江大学, 2008.

[2]朱利利.低压铸造铝合金车轮主要缺陷分析与控制[D].秦皇岛:燕山大学, 2015.

[3]苏大为.铝合金汽车轮毂低压铸造过程的数值模拟及工艺优化[D].南京:江苏大学, 2008.

[4]刘宏磊.A356.2铝合金车轮显微组织及力学性能的研究[D].秦皇岛:燕山大学, 2015.

[5]周.汽车用铝合金车轮低压铸造过程的数值模拟及其疲劳性能分析[D].南京:江苏大学, 2009.